Es wurde eine Arbeitshypothese entwickelt, die der Neurotrophin-Hypothese der Depression folgt. Die Arbeitshypothese für die Untersuchung der Neurotrophinkonzentration im Hirngewebe der OBX Maus war, dass die Konzentrationen von BDNF und NGF in verschiedenen Hirnregionen, vor allem aber in depressionsrelevanten Hirnregionen wie dem Hippocampus und dem Frontalcortex, reduziert sind. Die BDNF und die NGF Konzentrationen im Hippocampus und die BDNF Konzentration im Frontalcortex waren in den OBX Mäusen, die 16 Tage nach der Ektomie des Bulbus olfactorius dekapitiert wurden, signifikant erhöht im Vergleich zu den Sham
operierten Tieren. Die Ergebnisse unserer Untersuchung stehen im Gegensatz zu den postulierten erniedrigten BDNF Werten, die entsprechend der Neurotrophin-Hypothese der Depression erwartet wurden. Die Arbeitshypothese muss daher abgelehnt werden. Gründe für die Konzentrationsanstiege könnten sein, dass es zu einer vermehrten Produktion der Neurotrophine oder zu einem verminderten Abbau oder Abtransport der Proteine gekommen ist.
Entsprechend der Neurotrophin-Hypothese der Depression sind erniedrigte Werte für die Konzentration von BDNF und NGF erwartet worden, weil die OBX Maus als ein Modell der Depression angesehen wird. Die Depression ist mit einer Abnahme der Neuroplastizität und deshalb auch mit einer Abnahme der Neurogenese verbunden. Ob die verminderte Neurogenese ursächlich oder als Epiphänomen der Depression zu werten ist, wird derzeit diskutiert (Übersicht [83]). Durch bildgebende Verfahren konnte eine Verminderung des hippocampalen und corticalen Volumens in Patienten mit Depressionen beobachtet werden [60-62] (siehe 1.1.4.4.).
Bestätigt wurden diese Beobachtungen durch post mortem Untersuchungen an Gehirnen von Patienten, die an einer Depression erkrankt waren [66, 67]. Diese Beobachtungen lassen vermuten, dass Depressive Episoden mit einer Beeinträchtigung der Neuroplastizität in verschiedenen Hirnregionen einhergehen. Dabei wird angenommen, dass auch die Neurogenese als ein Teil der strukturellen Plastizität vermindert ist. BDNF gilt als einer der wichtigsten Faktoren für die Modulation der Neuroplastizität und adulten Neurogenese [276]. Wenn es zu einem Mangel an neurotrophen Faktoren kommt, kann das eine Neurodegeneration zur Folge haben. So zeigen heterozygote BDNF knockout Mäuse eine reduzierte adulte hippocampale Neurogenese [111]. In Gehirnen von Menschen nach Suizid, die ante mortem an Depressionen litten und nicht therapiert wurden, waren im Hippocampus und Präfrontalcortex niedrigere BDNF Konzentrationen zu beobachten als in Patienten, die nicht durch Suizid starben und keine Depressionen hatten [133]. Für die Neurotrophin-Hypothese sprechen auch die Ergebnisse bei den Messungen der BDNF Konzentrationen in verschiedenen Tiermodellen der Depression (siehe 1.3.3.).
In einem transgenen Mausmodell der Depression mit genetisch veränderter Glucocorticoid-Rezeptor-Expression, bei dem depressionsähnliche Zustände durch Stress induziert wurden, konnte in den heterozygoten Mäusen (GR+/-) eine Abnahme der BDNF Konzentration im Hippocampus demonstriert werden [178]. Außerdem zeigten stressresistente Mäuse, die den Glucocorticoid-Rezeptor überexprimieren, erhöhte BDNF Konzentrationen im Hippocampus [178].
Es gibt jedoch auch gegenteilige Befunde. So wurden eine mit unseren Untersuchungen übereinstimmende Heraufregulation der BDNF Konzentration im Hippocampus im Tiermodell
der maternalen Separation in Ratten [174] beobachtet. Keine Veränderung in der Konzentration von BDNF im Hippocampus wurde in verschiedenen Tiermodellen (Flinders sensitive Ratten und congenital learned helplessness Ratten) der Depression gefunden (Übersicht [176, 256, 267]). Van Hoomissen konnte in seiner Studie an OBX Ratten zwar keine signifikante Erhöhung von BDNF mRNA im Hippocampus nachweisen, aber ein Trend zur Erhöhung von BDNF mRNA deutet sich an [236]. Außerdem wurde beobachtet, dass die Induktion der erlernten Hilflosigkeit, die als ein Tiermodell der Depression eingesetzt wird, unabhängig von der Konzentration der Neurotrophine ist. Ratten, die BDNF bilateral in den Gyrus dentatus injiziert bekamen, wiesen trotzdem erlernte Hilflosigkeit auf [253].
Die Befunde in der Literatur, die nicht einheitlich dafür sprechen, dass in Tiermodellen der Depression eine Herabregulation der BDNF Konzentration erfolgt, werden durch unsere Untersuchungen dahingehend ergänzt, dass in Tiermodellen wahrscheinlich kein kausaler Zusammenhang zwischen depressionsähnlichem Verhalten und BDNF Konzentrationen im Gehirn existiert. Es gibt auch Untersuchungen, die zeigen, dass erhöhte BDNF Konzentrationen, wie sie von uns in den OBX Mäusen im Hippocampus und Frontalcortex gemessen wurden, mit depressionsähnlichem Verhalten in einen Zusammenhang gebracht werden können (siehe 1.3.3.).
Mäuse, die in einem Nest aufgezogen wurden, das sich drei Mütter teilen, und die dadurch in einer stark sozial stimulierenden Umwelt aufwuchsen, weisen erhöhte BDNF Protein Konzentrationen im Hippocampus auf. Jedoch zeigen sie vermehrt depressives und ängstliches Verhalten in verschiedenen Tests [277].
Eisch und Mitarbeiter veränderten in ihren Untersuchungen den BDNF Gehalt in der mesolimbischen Leitungsbahn. Die Tiere, die eine Infusion von BDNF für 7 Tage bekamen, wiesen im Forced Swim Test eine reduzierte Latenzzeit bis zur Immobilität auf, d.h. sie gaben eher auf. Das wird als ein depressionsähnliches Verhalten gewertet [278]. Die Tiere, die durch ein virales Vektorplasmid einen verkürzten, funktionsunfähigen Trk B-Rezeptor exprimieren, der die Wirkung von BDNF verhindert, zeigten dahingegen eine bis zu fünffach höhere Latenzzeit bis zur Immobilität im Forced Swim Test als Tiere mit normaler Trk B-Rezeptor Expression [278].
Auch im Modell der sozialen Niederlage (social defeat stress) konnte ein entsprechender Befund erhoben werden. Mäuse wurden 10 Tage sozialem Stress im Rahmen des Modells der sozialen Niederlage ausgesetzt und zeigten eine Zunahme des depressionsähnlichen Verhaltens, das einher ging mit einem Anstieg der BDNF Konzentration im Nucleus accumbens 24 Stunden und 28 Tage nach letzter Stresseinwirkung [279]. Das depressionsähnliche Verhalten könnte nicht induziert werden, wenn die BDNF Expression im ventralen Tegmentum unterdrückt wurde
[279]. Die selektive Deletion des BDNF Gens im Gyrus dentatus, nicht jedoch der selektive Verlust von BDNF in der CA1 Region des Hippocampus, erhöhte die antidepressive Wirkung von Desipramin und Citalopram im Forced Swim Test in Mäusen [280].
Für die Entstehung der Depression wird die Beteiligung von chronischem Stress mit einer Dysfunktion der HHN-Achse und Hypercortisolämie diskutiert. Einige Autoren diskutieren eine Herabregulation der Neurotrophine, speziell von BDNF, durch die Hypercortisolämie und erklären damit die Verminderung der Neuroplastizität [281]. Glucocorticoide verhindern die durch BDNF vermittelte Reifung der synaptischen Verbindungen in hippocampalen Neuronen durch eine verminderte Aktivierung der MAPK Kaskade [282].
Niemand konnte bisher in mit Stress verbundenen Tiermodellen der Depression, wie zum Beispiel dem Modell des chronisch milden Stresses (chronic mild stress modell) oder dem Modell der erlernten Hilflosigkeit (learned helplessness) zeigen, dass die durch Stress induzierte Herabregulation von BDNF tatsächlich mit der Entstehung eines depressiven Phenotyps korreliert (Übersicht [253, 256, 283]). In dem Depressionsmodell der erlernten Hilflosigkeit haben Greenwood und Mitarbeiter [253] gezeigt, dass das Verhalten der erlernten Hilflosigkeit unabhängig von der BDNF Konzentration im Hippocampus ist: Die erlernte Hilflosigkeit kann ohne Erniedrigung der BDNF Konzentration im Hippocampus auftreten. Zusätzlich machten sie die Beobachtung, dass die erlernte Hilflosigkeit nicht vermieden werden kann, wenn die durch Stress induzierte BDNF Reduktion durch die einmalige Gabe von Fluoxetin verhindert wurde.
Die Entstehung depressionsähnlichen Verhaltens ist in diesem Fall unabhängig von der Neurotrophinkonzentration. Dies könnte auch für das Modell der OBX Maus zutreffen. Das Auftreten des depressionsähnlichen Verhaltens könnte unabhängig von der BDNF Konzentration sein, und die Erhöhung der BDNF Konzentration müßte andersweitig begründet sein.
Mittlerweile gibt es vermehrt Zweifel, ob der reduzierte BDNF Gehalt in verschiedenen Hirngebieten als ein Zeichen für die Depression in Menschen und depressionsähnliches Verhalten in Tieren zu werten ist. Knockout-Mäuse für BDNF, die weniger als 60% BDNF bilden und Mäuse, bei denen durch viralen Gentransfer in der CA1 und im Gyrus dentatus des Hippocampus die Bildung von BDNF vollständig unterdrückt ist, zeigen kein depressionsähnliches Verhalten in unterschiedlichen Paradigmen [280, 284]. Bei diesen Tieren ist jedoch die hippocampale Cholinesteraseaktivität reduziert [284]. Depressionsähnliche oder mit Stress verbundene Zustände in Versuchstieren sind somit nicht zwingend mit einer Reduzierung der Konzentrationen an BDNF verbunden [176, 285].
In OBX Ratten wird eine erhöhte Corticosteronsekretion im Blut beschrieben [247]. Andere Autoren beobachten jedoch keine Beeinflussung von Corticosteron durch die OBX Operation
[250]. Eine Untersuchung der Corticosteronkonzentrationen in OBX Mäusen ist noch nicht durchgeführt worden. Würde man eine Desinhibition der HHN-Achse mit hohen Corticosteronwerten erwarten, kann diese höchstwahrscheinlich jedoch nicht für die von uns gemessenen Konzentrationsänderungen von BDNF in OBX Mäusen verantwortlich sein, da Hypercortisolämie als ein Grund für beobachtete reduzierte BDNF Konzentrationen angesehen (Übersicht [286]) wird.
In unseren Untersuchungen ist eine signifikant erhöhte BDNF Konzentration im Hippocampus und Frontalcortex gemessen worden. Damit ist es nicht zu der in der Arbeitshypothese formulierten Erniedrigung der BDNF Konzentration gekommen. Welche Gründe es für diese Erhöhung gibt, ist zu diskutieren.
Zum einen könnte der operative Eingriff ursächlich für die Änderung der BDNF Konzentration sein. Von anderen Autoren wurden die Konzentrationsänderungen von BDNF im Hippocampus von Ratten nur bis zu vier Tagen nach Setzen von Läsionen durch die Infusion von Kainsäure in den rechten lateralen Ventrikel [124] verfolgt. Es wurde wie in unserem Experiment eine Erhöhung der BDNF Konzentrationen im Hippocampus von Ratten mit Läsionen gefunden. Eine Beobachtung der Konzentrationen der Neurotrophine im Hippocampus bis zu 16 Tagen nach Setzen einer Läsion wurde noch nicht durchgeführt. Die Folgen der Durchtrennung des Bulbus olfactorius können zu einer unspezifischen Erhöhung von BDNF führen. Dafür sprechen Beobachtungen, wonach traumatische Verletzungen im ZNS zu Konzentrationserhöhungen von BDNF, NGF und anderen neurotrophen Faktoren führen [124]. Neurotrophine können nach Verletzungen neuroprotektive Effekte haben, und eine Kombinationsgabe von neurotophen Faktoren nach Rückenmarksverletzungen begünstigt die Reparatur der Nervenfasern am Ort der Verletzung (in Übersicht [287, 288]).
Anzumerken ist, dass wir in unseren Experimenten nicht die Region der Bulbus olfactorius selbst untersucht haben. Es wurden Hirnregionen betrachtet, in die der Bulbus olfactorius projiziert.
Eine Änderung der Neuroplastizität in den Projektionsregionen des Bulbus olfactorius könnte die erhöhten Neurotrophinkonzentrationen erklären.
Weiterhin muss die motorische Hyperaktivität, die sich nach der Bulbektomie entwickelt, als ein Grund für den Anstieg der BDNF Konzentration diskutiert werden. Verschiedene Studien konnten nach längerfristigem Laufradzugang der Tiere sowohl eine erhöhte BDNF mRNA als auch eine Erhöhung der BDNF Konzentration im Hippocampus messen [154, 289]. Neeper [290]
konnte eine Erhöhung der mRNA von BDNF und NGF im Hippocampus von Ratten bereits nach zwei Nächten des freien Zugangs zum Laufrad zeigen. Van Praag beobachtete in Mäusen nach
mehreren Wochen der freien Benutzung des Laufrades ad libitum eine Zunahme der Neurogenese im Gyrus dentatus [291, 292].
Bis zum Zeitpunkt der Dekapitierung zwei Wochen postoperativ hat sich normalerweise neben der lokomotorischen Hyperaktivität im hellerleuchteten Open Field auch die nächtliche Hyperaktivität vollständig ausgebildet. Diese könnte für die erhöhte Neurogenese im Hippocampus verantwortlich sein und möglicherweise mit einer Konzentrationserhöhung von BDNF im Hippocampus verbunden sein. Die lokomotorische Hyperaktivität im hellerleuchteten Open Field, die nur für 10-15 Minuten geprüft wird, ist wahrscheinlich von zu kurzer Dauer, um für die erhöhte Konzentration von BDNF verantwortlich zu sein.
Unterstützendes Argument dafür ist der Sachverhalt, dass Sport einen antidepressiven Effekt in Patienten mit Depression hat, der vergleichbar mit konventionellen antidepressiven Therapien und Psychotherapie ist. In Follow-Up Studien konnte gezeigt werden, dass körperliches Training effektiver in der Verhinderung eines Rückfalls als eine antidepressive Medikation ist [293, 294].
Weiterhin wurde beobachtet, dass nach körperlicher Aktivität die Konzentration von BDNF im menschlichen Serum [295] erhöht ist.
Es ist jedoch auch gezeigt worden, dass die knockout-Maus ohne Trk B-Rezeptor, die als ein Tiermodell der Depression mit reduzierter BDNF Wirkung angesehen wird, ebenfalls motorische hyperaktiv ist [296]. Auch Menschen mit einem genetischen Defekt, der mit dem funktionellen Verlust einer Kopie des BDNF Gens verbunden ist, sind hyperaktiv (Übersicht [297]).
Wenn der BDNF Konzentrationsanstieg mit der Hyperaktivität im Zusammenhang steht, müsste BDNF zu verschiedenen Zeiten bestimmt werden, wie zum Beispiel sofort nach OBX und vor und nach Auftreten der Hyperaktivität. Damit könnte verfolgt werden, ob der BDNF Konzentrationsanstieg zeitgleich mit der Hyperaktivität auftritt. Außerdem müssten Konzentrationsmessungen der Neurotrophine mit einem größeren Abstand zur OBX Operation durchgeführt werden, um die unspezifische Erhöhung von BDNF durch die OBX Operation auszuschließen, die nach der Reparatur des verletzen Gewebes abklingen müßte. So könnte geprüft werden, ob die BDNF Konzentrationserhöhung ein Phänomen der Hirnverletzung ist oder wirklich spezifisch für dieses Modell ist.
Der Verlust des Geruchssinnes und die dadurch verbundene Neuorientierung müssen ebenfalls als ein Grund für die Erhöhung der BDNF Konzentration im Hippocampus und Frontalcortex diskutiert werden. Die OBX Tiere, die ihren Geruchssinn verloren haben, werden in ihrer Umgebung Schwierigkeiten haben, sich mit ihren noch erhaltenen Sinnen anfangs zu orientieren.
Für Nagetiere ist der Geruchssinn einer der wichtigsten Sinne, er ist wesentlich wichtiger als bei uns Menschen. Die OBX Mäuse müssen erlernen, ihren verlorenen Geruchssinn zu
kompensieren. Dafür muss das Gehirn eine Lernleistung vor allem in den ersten Tagen und Wochen nach der OBX Operation erbringen. Für das Lernen und für das Gedächtnis ist der Hippocampus eine der wichtigsten Regionen, aber auch der Frontalcortex ist für die Herstellung einer Ordnung des Erlernten einzuschließen. Aufgrund einer bildgebenden Studie an Londoner Taxifahrern existiert die Idee, dass es eine Verbindung zwischen räumlichen Lernen und hippocampaler Neurogenese beim Menschen gibt (Übersicht [87]). Bei den Taxifahrern waren die räumlichen Herausforderungen, die die Fahrer zu meistern hatten, mit einer Zunahme des hippocampalen Volumens assoziiert. Außerdem gab es eine positive Korrelation zwischen der Zeit, die mit Taxifahren verbracht wurde und mit dem Volumen des Hippocampus [298]. Der kausale Zusammenhang zwischen Lernfähigkeiten und hippocampaler Neurogenese ist noch nicht bewiesen. Allerdings wurde bei Mäusen beobachtet, dass eine angereicherte Umgebung (enriched environment) zu erhöhter Neurogenese im Hippocampus und Überleben von neu generierten Zellen führt [299]. Verschiedene hippocampale Funktionen, wie das Lernen, sind wahrscheinlich an eine adulte Neurogenese gebunden [300]. Eine Idee ist es, dass Zellen im Hippocampus und Bulbus olfactorius nicht „auf Nachfrage“ gebildet werden, sondern dass unreife Nervenzellen kontinuierlich entstehen und bei Bedarf rekrutiert werden können. Die körperliche Bewegung spielt eine wichtige Rolle bei der Förderung der Neurogenese [87, 301].
Die synaptische Plastizität könnte notwendig sein, um diese unreifen Zellen in ein Netzwerk von Neuronen zu integrieren [87]. Dies könnte die Grundlage für die Verarbeitung von neuen Informationen und für Lern- und Gedächtnisprozesse sein. BDNF ist ein wichtiger Faktor der neuronalen Plastizität beim Lernen. Minichiello [302] beschreibt, dass die Long-Term Potenzierung auf Hirnschnittebene von BDNF abhängig ist.
Die höheren BDNF Konzentrationen im Hippocampus und Frontalcortex nach der OBX Operation könnten durch den Verlust des Geruchssinns und die dadurch notwendige Lernleistung, sich ohne den olfactorischen Sinn in der Umwelt zu Recht zu finden, und die nächtliche Hyperaktivität bedingt sein.
4.3. Auswirkungen einer Ektomie des Bulbus olfactorius auf die Konzentration von